科学百科第15期丨什么是黑洞？

本期为大家带来：

《你知道吗——现代科学中的100个问题》

本书是阿西莫夫的优秀作品之一。
作者以通俗的语言，深入浅出地解释了现代科学中的一百个尖端课题。
其中，有些是了解现代科学技术所必须具备的基础知识，如科学的研究方法、二进制数、相对论、亚原子粒子、核聚变、熵、晶体、病毒等。有些则是当代科学技术的前沿阵地，如黑洞、统一场论、夸克、快子、金属氢等。
作者对这些问题的来龙去脉，它们目前处在什么样的状态、有没有希望得到解决等问题均作了回答。

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第十五个问题： 什么是黑洞？

为了了解什么是黑洞，让我们先从太阳这样的恒星谈起。我们知道，太阳的直径为１，３９２，０００公里，它的质量为地质质量的３３０，０００倍。

在这样大的质量、从表面到中心的距离这样长的情况下，位于太阳表面的任何东西所受到的引力大约相当于地球表面引力的２８倍。任何一颗普通的恒星都会由于下述两种因素的相互平衡而保持其通常的大小。其中一个因素是恒星中心有非常高的温度，因而会使恒星的物质经常处于膨胀的状态。

另一个因素就是它本身具有很大的引力，从而会使恒星的物质倾向于收缩而挤压在一起。但是在恒星生存期的某一阶段，其内部温度将会降低，这样一来，引力将会成为一个主导的因素，结果，这颗恒星就会开始坍缩，在这个过程中，恒星内部物质的原子结构会遭到破坏。这样一来，原子将不复存在，替代它的将是一个个电子、质子和中子。

这颗恒星将会坍缩到这样一种程度，这时电子的相互排斥力将使该恒星不能够再进一步坍缩。这颗恒星于是就成为一颗“白矮星”。
像太阳这样的恒星一旦坍缩成为一颗白矮星，它的全部物质将被挤压成为一个直径只有大约１６，０００公里的球体，它的表面引力将变成地球表面引力的２１０，０００倍（因为它的质量虽然没有变，但是从表面到中心的距离则大大缩短了）。在某些条件下，引力将变得如此之大，甚至能战胜电子之间的排斥力。结果，这颗恒星将会再度坍缩，并迫使其全部电子和质子彼此结合为中子，这样一来，这颗恒星将一直收缩到所有的中子都彼此接触为止。到了这一步，这个中子结构物又将会抵制进一步的坍缩，这颗星于是成为一颗中子星。这样的中子星将把太阳的全部质量压缩在一个直径只有１６公里的球体内。

结果，它的表面引力将是地球引力的２１０，０００，０００，０００倍。在某些条件下，引力甚至能进一步战胜中子结构的抗拒。这时候，再也没有任何东西能够抵抗得住它的进一步坍缩了。

结果，这颗恒星就会坍缩到体积等于零，而它的表面引力就会无限地增大。根据相对论，一颗恒星所发射出来的光，当它克服该恒星的引力场而向外射出的时候，将会失去一定的能量。引力场越大，所失去的能量也越大。

这一点已经由科学工作者经过天文观测和实验室实验得到证实。由太阳这样的普通恒星发射出的光，它失去的能量是很有限的。由白矮星发射出的光会失去较多的能量；由中子星发射出的光会失去比这更多的能量。

当这颗中子星进一步坍缩时，就会出现这样一种情况：
从它的表面向外射出的光将会失去它的全部能量，从而根本不可能逃逸出去。一个比中子星坍缩得更厉害的天体，它的引力场将是如此之强，以致任何靠近它的东西都将被它所捕获，并且再也不能从它里面逃逸出去。这就如同被捕获的物体落进一个无底洞的情况一样。而且，正如上面所说，甚至连光也不能逃逸出去，因此，这个坍缩了的天体将是黑的。正因为它既像个无底洞，而且又是黑的，所以天文学家就把它叫做“黑洞”。

天文学家目前正在宇宙的各个角落寻找可证明确有这种黑洞存在的证据。

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